Comprendre la précharge des roulements
Précharge du roulement — également appelée précharge ou charge initiale — est une charge de compression contrôlée appliquée délibérément à un roulement afin d'éliminer les jeux internes autorisation et créent une légère interférence entre les éléments roulants et les chemins de roulement. En maintenant chaque élément roulant en contact permanent avec les chemins de roulement dans toutes les conditions de fonctionnement, la précharge élimine le léger jeu interne qui existerait autrement, ce qui permet d'obtenir un système de roulement plus rigide et plus précis, offrant une meilleure répartition des charges et une plus grande résistance à Vibrations. Il est indispensable dans toutes les applications exigeant une grande rigidité, un positionnement précis de l'arbre ou un fonctionnement fluide sous des charges variables ou oscillantes, et son utilisation est courante dans les broches de machines-outils, les instruments de précision et les machines à grande vitesse où il est essentiel d'éviter instabilité est essentielle.
1. Définition : transformer le jeu en rigidité
La plupart des roulements à éléments roulants sont fabriqués avec un léger jeu interne afin de faciliter leur montage et leur lubrification. Ce jeu facilite l'assemblage mais nuit à la précision : il permet à l'arbre de fléchir légèrement avant que les éléments roulants ne supportent la charge, et il fait que les éléments soumis à une faible charge glissent plutôt que de rouler. La précharge inverse délibérément ce phénomène : elle rapproche les bagues (ou les comprime radialement) jusqu’à ce que le jeu disparaisse et qu’une force de contact définie s’exerce sur chaque élément avant même l’arrivée de la charge externe. En effet, la précharge sacrifie un peu de friction et de chaleur supplémentaires au profit d’un gain important en rigidité et la précision de positionnement.
2. Objectif et avantages
1. Augmentation de la raideur
C'est là le principal avantage de la précharge :
- Élimine le jeu qui permet la déflexion sous charge
- Permet à tous les éléments roulants de rester en contact, répartissant ainsi la charge sur l'ensemble du jeu de roulements.
- Cela permet d'augmenter la rigidité du roulement d'environ 2 à 5 fois par rapport à un roulement sans précharge.
- Réduit la flexion de l'arbre et améliore la rigidité globale du système.
2. Amélioration de l'exactitude et de la précision
- Élimine faux-rond de l'arbre résultant du jeu des roulements.
- Assure un positionnement précis et reproductible de l'arbre.
- Indispensable pour les machines de précision telles que les machines-outils et les instruments de mesure.
- Réduit les vibrations causées par les chocs liés au jeu.
3. Prévention du patinage
- Assure que les éléments roulants roulent réellement plutôt que de déraper
- Particulièrement important sous des charges légères ou des vitesses élevées
- Le patinage provoque une usure des roulements et les dommages de surface.
- La précharge assure une force de contact suffisante pour un roulement pur.
4. Réduction du bruit
- Élimine les cliquetis causés par le jeu interne.
- Assure un fonctionnement plus silencieux et plus fluide.
- Particulièrement utile à proximité du personnel ou des équipements sensibles.
5. Amélioration de la stabilité
En dynamique du rotor, la précharge contribue à la stabilité :
- Une rigidité accrue des roulements augmente la vitesses critiques.
- Il améliore amortissement caractéristiques.
- Cela permet d'éviter les instabilités liées aux roulements.
- Cela réduit la sensibilité aux vibrations extérieures.
3. Types de précharge
1. Précharge fixe (rigide)
Une précharge constante, indépendante de la température ou de la vitesse :
- Méthode: Entretoises, cales ou contre-écrous réglés sur une position spécifique
- Caractéristiques: une grande rigidité et un contrôle précis.
- Limites: elle peut augmenter avec la température, ce qui risque d'entraîner une surcharge.
- Applications : broches de machines-outils et équipements de précision.
2. Précharge par ressort (élastique)
Une précharge assurée par des ressorts, permettant la compensation thermique :
- Méthode: ressorts ondulés, rondelles Belleville ou ressorts hélicoïdaux.
- Caractéristiques: permet de compenser la dilatation thermique sans surcharger le système.
- Avantages : beaucoup plus tolérant aux variations de température.
- Applications : équipements soumis à des variations de température et dont les exigences en matière de précision sont moins élevées.
4. Méthodes de précharge
Précharge axiale (la plus courante)
Montage face à face ou dos à dos
- Deux roulements à contact oblique montés en opposition l'un par rapport à l'autre.
- Une force axiale exerce une pression sur les roulements.
- Élimine le jeu axial dans les deux sens.
- La configuration standard pour les machines-outils et les applications de haute précision.
Précharge réglable
- Un contre-écrou ou une vis de blocage réglé(e) pour ajuster la précharge.
- Vérifié par le couple, la force axiale ou l'élévation de température du roulement.
- Ce réglage peut être effectué lors du montage ou revu lors de l'entretien.
Précharge radiale
- Un ajustement serré entre les bagues et l'arbre ou le logement génère une compression radiale.
- Les éléments roulants sont comprimés radialement entre les bagues.
- Moins fréquent que la précharge axiale.
- Utilisé dans certains roulements étanches et dans des applications spéciales.
5. Choix de la valeur de la précharge
Précharge légère
- Forcer: 1 à 5 % de la capacité de charge dynamique du roulement.
- Avantages : une rigidité accrue avec un minimum de frottement supplémentaire.
- Applications : machines de précision en général.
Précharge moyenne
- Forcer: 5 à 10 % de la charge dynamique.
- Avantages : une grande rigidité et une bonne précision.
- Applications : broches de machines-outils et entraînements de précision.
Précharge importante
- Forcer: 10 à 20 % de la charge dynamique.
- Avantages : une rigidité et une stabilité maximales.
- Limites: un frottement élevé, un dégagement de chaleur et une durée de vie réduite.
- Applications : travaux d'ultra-précision et exigences en matière de faible vitesse et de grande rigidité.
Étant donné que la valeur exacte dépend de la capacité nominale du roulement, il est utile de connaître cette valeur avant de définir la précharge ; des outils tels que Calculateur de durée de vie des roulements L10 (ISO 281) mettre en perspective la capacité de charge dynamique et la durée de vie prévue, afin de pouvoir évaluer le pourcentage de précharge choisi à la lumière de son incidence sur la durée de vie.
6. Inconvénients et compromis
Augmentation des frottements et de la chaleur
- La précharge augmente les charges de contact et, par conséquent, le frottement.
- La température de fonctionnement est généralement supérieure de 5 à 20 °C à celle d'un roulement non préchargé.
- Des températures plus élevées accélèrent la dégradation du lubrifiant
- Refroidissement amélioré ou lubrification peut être nécessaire.
Réduction de la durée de vie des roulements
- La précharge vient s'ajouter aux charges de fonctionnement.
- Les calculs de durée de vie des roulements doivent tenir compte de l'effet de la précharge.
- Une précharge excessive peut réduire considérablement la durée de vie.
- Le compromis fondamental réside dans le rapport entre rigidité et précision d'une part, et durabilité d'autre part.
Sensibilité thermique
- La précharge fixe augmente avec la hausse de température en raison de la dilatation différentielle.
- Une dilatation thermique non maîtrisée peut entraîner une surcharge du roulement.
- La précharge par ressort compense ces variations thermiques.
- La conception doit tenir compte de toute la plage de températures de fonctionnement.
7. Applications
Lorsque la précharge est indispensable
- Broches de machines-outils : broches destinées au meulage, au fraisage et au tournage, qui exigent précision et rigidité.
- Équipements à grande vitesse : pour éviter les dérapages et l'instabilité.
- Instruments de précision : équipements de mesure et systèmes optiques.
- Charges oscillantes : applications avec inversions de charge ou charges variables.
- Charges de moment : roulements soumis à des moments de basculement.
Dans les cas où la précharge n'est pas recommandée
- Applications à haute température, où il existe un risque de surcharge thermique.
- Des vitesses très élevées, où le frottement et la chaleur jouent un rôle prépondérant.
- Chocs violents.
- Cas où la longévité des roulements prime sur la rigidité.
- Utilisation industrielle générale où la précision n'est pas un critère essentiel.
La précharge revêt également une dimension diagnostique. Une broche dont la précharge a diminué en raison de l'usure, ou qui a subi une surcharge thermique, verra sa signature vibratoire se modifier — ce qui se traduit souvent par un décalage des vitesses critiques ou une augmentation du niveau de vibration à large bande — ; ainsi, les effets de la précharge sont perceptibles par un analyste en vibrations bien avant la survenue d'une défaillance. Un analyseur portable à deux canaux tel que le Balanset-1A peut capturer les paramètres d'une broche spectre de vibrations et le niveau global à vitesse de fonctionnement, offrant ainsi un ligne de base par rapport auquel toute modification ultérieure de la précharge ou de l'état du roulement peut être suivie en tendance — et, lorsque le problème sous-jacent s'avère être déséquilibrer plutôt que les roulements, équilibrés sur la même machine.
La précharge des roulements est un outil efficace pour améliorer les performances des systèmes de roulements, en offrant une plus grande rigidité, une précision accrue et une protection contre le glissement et l'instabilité. Elle doit toutefois être choisie avec soin, en mettant en balance ces avantages et les inconvénients liés à l'augmentation des frottements, de la chaleur et à la réduction de la durée de vie, afin de trouver le juste équilibre pour chaque application spécifique.
